考虑风载因素的玻璃幕墙清洁机器人设计

围绕高楼玻璃幕墙机器人自动清洁中的风载问题,设计了一款考虑风载因素的真空吸盘吸附的框架式爬壁机器人。针对玻璃幕墙清洁机器人的框架式结构进行步态规划。基于空间力学理论建立了玻璃幕墙清洁机器人在风载下的力学平衡模型,得到了风载大小与机器人吸盘吸附力之间的力平衡方程。在Workbench中对风载作用下的清洗机器人本体进行了有限元分析,得到了机器人模型的应力云图与变形云图。实验测试结果表明:在极限风载作用下,机器人的最大应力点位于吸盘支架,最大变形点位于主架板中心。在真实风载下对机器人进行攀爬运动仿真分析,机器人可以在极限风载下稳定地工作,不会发生滑移和倾覆,验证了力学模型和设计模型的正确性。

海上浮式光伏结构及其水动力问题研究展望

淡水水体的浮式光伏发电技术弥补了传统陆基光伏的部分缺陷,在近十年的时间里得到快速发展,与此同时,将浮式光伏技术应用于海洋环境成为了各国学者面临的重要命题。海上环境不同于陆地,在同等光照条件下,海面开阔,日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高,发电量可以得到显著提升,但是如何保证海上光伏在极端自然环境下的生存是该项目未来能否实施的最大挑战。首先概述了浮式光伏系统的发展历程,分析了各类浮式结构的形式、特点及其对海洋环境的适用性;然后针对不同结构形式和不同锚泊形式的海上浮式光伏结构,重点围绕其在遭受波浪和风荷载情况下可能遇到的水动力问题和结构强度问题,从设计可行性的角度分析了国内外学者针对相关结构的一些研究成果;最后提出海上浮式光伏系统未来可能的发展方向。

地震和风耦合作用下超高层连体结构易损性分析

为探究超高层连体结构在多灾害耦合作用下的设计与安全性能,以苏州超塔为例,开展地震和风耦合作用下的多灾害易损性分析.根据设计资料建立结构有限元模型,分别开展结构在地震作用下以及地震和风耦合作用下的易损性分析,探究结构在多灾害耦合作用下的响应规律.结果表明,地震和风耦合作用下结构联合易损性随着地震动和风荷载强度的增大而增加,且地震动对结构的破坏占主导作用.地震与风耦合作用时结构达到中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率均比仅地震作用时有所增加.当风速达到40 m/s时,结构在罕遇地震下达到3种破坏状态的概率分别为99.77%、91.56%和46.54%,相比于仅罕遇地震作用下分别提高了1.11%、10.73%和14.65%,相比于一般高层连体结构在同样的灾害耦合作用下分别提高了0.27%、6.26%和14.34%.

静风荷载下大跨斜拉桥上无缝线路受力与变形

大跨度斜拉桥在自然风场中易因自身柔度特性发生位移变形。为研究静风荷载作用下大跨斜拉桥上CRTS(China Railway Track System)双块式无砟轨道无缝线路桥梁及轨道结构在空间三向的力学性能分布规律,参照某一四线预应力混凝土斜拉桥工程实例,基于有限元法建立了大跨斜拉桥上无缝线路精细化空间耦合模型,分析了横桥向静风荷载作用下桥梁体系及桥上轨道结构的力学性能。分析结果表明:桥梁及桥上轨道结构三向(应)力最大值基本分布在斜拉桥跨中及边墩附近;各结构三向(应)力中,底座板、桥梁结构纵向应力峰值最大,约为横向应力峰值的8倍,约为竖向应力峰值的7倍、15倍,轨道板结构表现为横向应力峰值最大,且与其余两向应力峰值之间差距较小;各结构三向位移中,横向、竖向位移均在跨中及附近达到最大值,纵向位移在斜拉桥边墩附近达到最大值,其中,横向位移峰值是其余两向位移峰值的20余倍;桥梁两侧构件竖向、纵向位移方向相反,即桥梁表现为静风作用下的倾覆、弯曲倾向。研究成果可为风环境中大跨斜拉桥上线路设计、维护检修以及健康监测提供理论依据。

北京2022年冬奥会内场主火炬抗风性能研究

北京2022年冬奥会和冬残奥会主火炬,是典型的舞美造型结构体,呈大面积薄壁状,对风荷载极为敏感,在点火仪式中有倾斜支撑和竖直悬挂两种典型状态。其中,倾斜支撑状态需要确定结构设计所需的风荷载,竖直悬挂状态需要给出主火炬的风振响应。该文基于实测数据,给出了国家体育场周边的平均风速剖面和湍流度剖面,通过缩尺模型风环境风洞试验及2月份局地风速概率分布,确定了主火炬结构倾斜支撑状态与竖直悬挂状态的正常运行风速;通过主火炬倾斜支撑和竖直悬挂状态的测力风洞试验,得到了作用于主火炬风荷载的体型系数;并通过随机振动分析给出了竖直悬挂状态的风振响应,为北京2022年冬奥会主火炬点火仪式的顺利进行提供了技术支撑。

考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

国内外建筑围护结构风荷载规范对比研究

针对围护结构设计风荷载,分析了如下风荷载规范中的相关规定:中国GB 50009—2012、中国JGJ/T 481—2019、美国ASCE/SEI 7⁃16、日本AIJ⁃2015、澳大利亚/新西兰AS/NZS 1170.2:2021、欧洲BS EN 1991⁃1⁃4:2005、加拿大NBCC 2015。分析结果表明,国内外围护结构风荷载规范的理论基础主要包括准定常理论和风压极值理论,均将设计风荷载表示成设计风速与设计风压系数的乘积;设计风速的确定需要考虑地貌、局部地形、季节、风向、相邻建筑干扰等因素的影响,各国规范对这些因素考虑的详尽程度不一;设计风压系数则需要考虑来流湍流和特征湍流共同作用下风压的时间随机性和空间分布不均匀性、不同方向来流时建筑表面风压的差异性、建筑表面风压相关性等因素,各国规范均通过风压分区和面积折减较好地考虑了这些因素,不同之处在于不同规范所涵盖的建筑体型、考虑建筑几何参数影响的风压分区结果及面积折减的特征有所区别。

风荷载和列车共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性研究

我国是世界上沙漠分布最多的国家之一,沙漠中蕴藏着丰富的矿产资源。西部大开发和“一带一路”倡议将进一步推进沙漠地区铁路建设。利用丰富的沙漠风积沙作为铁路路基填料具有重要的经济意义和推广应用前景,风积沙包芯路基是一种充分利用风积沙作为铁路路堤填料的新型结构。为研究列车荷载和风荷载共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性计算方法,基于折线滑动法原理,对路堤结构进行分层分区,采用极限平衡方法,推导出列车荷载和沙漠风荷载共同作用下铁路风积沙包芯路基的稳定性系数计算公式并编制计算程序。结合和若铁路风积沙包芯路基的工程实例,验证了该计算方法的可行性。基于该计算程序,研究了风荷载大小、风向角、路堤填筑高度、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡稳定性系数的影响,分析了风向角、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度的影响。计算结果表明,风积沙包芯路基边坡稳定性系数与风荷载大小近似呈线性负相关,与风向角大小呈非线性正相关。风积沙包芯路基边坡稳定性系数富余量与路堤填筑高度呈负相关。风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度与风向角大小呈非线性负相关,与风积沙填料的内摩擦角大小近似呈线性负相关。建议风积沙包芯路基边坡设计中应考虑风荷载的影响。研究成果可供沙漠地区风积沙包芯路基设计借鉴和采用。

裂隙优先流与风荷载耦合下台风诱发乔木斜坡浅层滑坡机制研究

在总结既有文献关于台风诱发滑坡特征的基础上,构建了裂隙优先流和台风风荷载耦合下乔木斜坡稳定性评价的简化力学模型。选取圆锥形、圆台形和圆柱形3种不同形状树冠的乔木,通过脉动风叠加平均风计算乔木不同高度处的风荷载时程曲线。利用ABAQUS有限元模拟获得台风作用下乔木的力学响应,并将乔木底部总力的最大值视为下滑力。以简化的二元结构斜坡为算例,在250 mm·d^(-1)的固定降雨强度下,计算了裂隙优先流(即裂隙斜坡)和风荷载耦合下发育3种类型乔木斜坡的稳定性,并与仅考虑风荷载时(即无裂隙斜坡)的结果进行比对。结果表明:由于裂隙优先流的存在,裂隙斜坡的雨水入渗速度明显快于无裂隙斜坡,其达到饱和状态所需的时间较无裂隙斜坡大幅缩短;裂隙斜坡和无裂隙斜坡的稳定性系数均随风速的增大而降低,整体上各风速下裂隙斜坡的稳定性系数明显小于无裂隙斜坡,且裂隙斜坡失稳时的风速要明显小于无裂隙斜坡;无论裂隙斜坡还是无裂隙斜坡,发育圆柱形树冠乔木时其稳定性系数下降程度最大,圆台形树冠次之,圆锥形树冠最小。研究结果可为台风等极端强对流天气下富乔木坡地浅层滑坡机制解析和预警预报研究提供参考。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

基于节段模型测力方法的塔式起重机风荷载特性研究

塔式起重机被广泛应用于铁道工程和土木工程施工过程,属于高耸结构体系,风荷载是塔式起重机结构设计的控制性荷载。为完善《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—2017)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的塔式起重机斜风向设计风荷载计算方法,解决风向、吊臂、平衡臂位置等因素对塔式起重机遮挡和干扰引起的设计风荷载计算问题。选取平头塔式起重机为研究对象,对塔身、吊臂、平衡臂进行多工况的节段模型测力风洞试验,研究湍流强度、节段干扰和遮挡等因素对塔式起重机节段风荷载特性的影响规律,研究不同风向下节段阻力系数分布规律,对比标准化阻力系数与当前主要规范的异同,进而探讨节段斜风向标准化阻力系数计算方法。研究结果表明湍流强度对节段阻力系数影响较小,可忽略,而平衡臂和吊臂相邻节段的干扰会减小测试节段的阻力系数;在斜风向下,由于吊臂和平衡臂之间存在相邻节段干扰,国内外规范方法的计算值均会大于干扰工况的节段风洞试验值;当前主要国家规范规定的垂直风向塔身、吊臂、平衡臂阻力系数与风洞试验测得的阻力系数值较为接近,基于风洞试验结果给出典型风向的塔式起重机各节段的风荷载系数取值可用于结构设计;基于风洞试验测试结果推导的塔式起重机斜风向风荷载计算方法具有较好的拟合效果。研究成果可推荐相关工程应用,可为相关规范的修改或补充提供参考。

风电供能海上平台孤网负荷侧调频策略研究

大量风力发电接入远海油气平台对系统频率稳定造成了负面影响。在实际生产中,以注水泵为代表的可调节负荷和部分生产负荷占总负荷的30%,且其功率变化甚至启停对生产影响不大。该类负荷在以往的研究中不直接参与海上平台的调频,但调频潜力极大,且响应速度较快。在不影响海上平台生产的同时,既可以提供适量的风电消纳、提供快速的频率响应支撑,又可以跟随系统频率调整自身转速、调节所需有功。该文提出一种海上平台的可调节负荷跟随系统频率或跟随风电出力的调频控制策略,通过分析跟随燃机和跟随风电出力的速度给定方法,研究各控制参数及客观因素对调频效果的影响。仿真结果表明,该策略充分利用可调节负荷的调频容量,有效改善了海上平台频率特性,为提高风电渗透率、实现“双碳”目标提供了技术参考。

含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风电场等值建模方法

为建立准确的具有主动支撑能力的直驱风电场等值模型,提出一种含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风电场等值建模方法。首先,建立包含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风机并网系统模型;其次,依据适应性分析选取转速、减载系数、惯性系数和阻尼系数作为分群指标;然后,基于分群指标利用改进K-means算法对直驱风电场中的机组进行聚类分群,得到直驱风电场的等值模型;最后,利用实际算例在不同场景下进行仿真和计算,对等值建模方法的准确性进行验证。

矩形钢管混凝土束风机塔筒风振特性研究

随着风电资源优势区开发逐渐饱和,风电开发的重心开始向风资源条件相对恶劣的低风速地区转移,分布式、大功率、高塔筒和长叶片已经成为风电行业发展趋势。基于此提出了一种新型的矩形钢管混凝土束风机塔筒,该塔筒由矩形钢管混凝土束拼接而成,具有强度高、刚度大和耗能能力强的优点。为研究该塔筒结构的风振响应特性,选用Kaimal脉动风速功率谱,采用谐波合成法模拟风荷载时程曲线,对其进行了动力时程分析,并计算了风振系数及等效静力风荷载。结果表明:该新型塔筒在额定风速下位移塔顶位移最大值为911.84 mm,对应的水平位移角为1/154,符合规范要求。塔筒各构件的强度较好,且具有较大的安全富余度。基于位移等效的阵风荷载因子法计算得到的风振系数值较低;在惯性风荷载法计算得到的等效静力风荷载作用下,结构位移、基底剪力与结构随机振动分析得到的基本一致。

基于未知风荷载作用下拉索振动位移的拉索MR阻尼器失效破坏的原位识别方法

MR阻尼器在长期服役过程中可能由于各种因素导致阻尼器失效破坏。现有的对MR阻尼器的性能识别多为离线方法,需将阻尼器从斜拉索上拆卸下来后进行人工检测。该文提出一种基于斜拉索在未知风荷载作用下振动位移,对在役失效无模型的MR阻尼器作用力进行原位在线识别的方法。首先,建立模态坐标下斜拉索-阻尼器系统运动方程及观测方程,并进行模态截断以减少未知变量的数量。然后,将模态风荷载建模为随机游走过程并加入系统的增广状态中,并视MR阻尼器的作用力视为作用在斜拉索上的‘附加未知输入’,采用最近提出的无直接反馈的平滑最小方差无偏Bayesian滤波,对结构增广状态和MR阻尼器作用力进行识别。通过识别数值模拟的MR阻尼器三种典型的失效破坏模式,验证所提方法的有效性。

沿海地区台风荷载下陶粒加气混凝土砌块填充墙斜裂缝试验研究

为研究沿海地区低抗震设防烈度条件下陶粒加气混凝土砌块填充墙的开裂原因,采用PKPM软件分析了某13层框架结构住宅在台风荷载和6度抗震设防烈度下结构的层间位移,结果表明:在该地区基本风压下,该工程的最大层间位移角与6度抗震设防烈度时基本相当。同时进行了一榀足尺框架模型试验,结果表明,当主体结构还在弹性阶段时,模型的整体刚度就急剧下降,填充墙就已经开裂。当试件的位移角达到1/1 092时,填充墙开裂严重,此时相当于刚度修正后的13层框架住宅案例在1.27kN/m^(2)的风压下的表现。因此按照目前的结构设计参数取值和施工构造措施,沿海地区陶粒加气混凝土砌块填充墙的开裂在所难免。为避免该斜裂缝发生,应在设计和施工阶段采取新的设计方法和构造措施。

基于KL散度距离处理风电不确定性的负荷恢复分布鲁棒优化

在构建以新能源为主体的新型电力系统的背景下,在恢复控制过程中积极利用新能源并充分应对其对运行安全带来的潜在风险对于减小停电损失具有重要意义。首先,为了表征风电出力的不确定性,采用KL散度(Kullback-Leibler)距离作为筛选极端风电出力场景的控制条件,并据此构建模糊集作为风电出力典型场景。在满足相关运行安全约束的前提下,建立了以最大化加权负荷恢复量为优化目标的分布鲁棒优化模型以制定计及风电的负荷恢复方案。经松弛处理和对偶转换所得到的混合整数二阶锥模型可调用商业求解器求解。以接入规模风电场的IEEE 10机39母线系统为例进行仿真,结果表明:相比于传统的鲁棒优化方法,该方法降低了优化结果的保守性,有助于加快负荷恢复,减小停电损失。

风对波状涌潮海塘越浪水动力特性影响的数值研究

文章基于二维不可压缩两相流数值模型,首先通过对比数值计算结果与试验数据,验证了该两相流涌潮计算模型模拟波状涌潮与海塘相互作用的可靠性;然后通过设置合理的计算工况,系统分析了风速、涌潮高度、潮前水深和斜坡坡度对波状涌潮在海塘上的越浪水动力特性的影响。计算结果表明:向岸风速会显著影响波状涌潮的海塘越浪量,风速越大,涌潮的越浪量越大,且挡浪墙所受荷载也越大;随着涌潮高度和潮前水深的增大,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载也随之增大;当增大海塘斜坡坡度时,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载均呈现先增大后减小的趋势。

多排大跨度光伏柔性索桁架结构设计的差异化

山地光伏电站建设的发展势头迅猛,光伏柔性索桁架结构应运而生。这种结构在原有单层悬索的柔性支架基础上增加了防风结构,能更好地适应复杂地形。但索桁架结构和受力更为复杂,目前缺少统一的设计规范,为研究光伏柔性索桁架两种典型结构的结构性能,采用有限元的方法对不同拱形矢高多排大跨度光伏柔性索桁架进行仿真分析,从结构模态、风振系数以及极限工况多角度开展研究。结果表明,增大防风索拱形的矢高,有利于抑制倒拱和正拱两种结构的风致振动;分析四种极限工况,矢高每增加100 mm,倒拱Z向位移平均减小率最小为10.07%,正拱最小为2.79%。同时倒拱结构的挠度变形和轴力等力学性能优于正拱结构,更具市场应用价值。

不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究

输变电塔体系遭受风雨耦合作用破坏时常将原因归于风荷载,忽略了雨荷载耦合激励的放大效应。针对某输电线路“一塔两线”体系模型,以数值方法模拟良态风雨场与湿下击暴流场的风雨时程荷载,分别对塔线体系进行动力响应分析,结果表明:降雨对输电塔线体系的响应,具有显著影响,随着雨强变大,塔线体系响应增大明显;在极值降雨条件下,湿下击暴流场塔顶位移增幅最大,在X向和Y向分别达到31.30%和33.93%;两种风雨场中塔顶位移及加速度功率谱密度均出现明显增幅,体系共振响应增强,塔身关键位置主材应力分别增大了11.64%、37.07%;在不同类风场中,强降雨时雨滴冲击对塔线体系产生的激励增大作用不可忽略。